Теоретические сведения

Замыкание на землю может произойти из-за контакта между токоведущими частями и заземленным корпусом при повреждении электрической изоляции оборудования, падении на землю оборванного провода и др. В этих случаях ток сте­кает в землю через электрод, который контактирует с грунтом. Металлический проводник (электрод), погруженный в грунт, называется заземлителем.

Ток, стекая с заземлителя в землю, распределяется по значительному ее объему. Пространство вокруг заземлителя, где потенциалы не равны нулю, называется полем растекания тока. Если человек находится в поле растекания тока, то ток проходит через его ноги.

Напряжение между двумя точками электрической цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек, называется напряжением шага или шаговым напряжением.

Закон распределения потенциалов в электрическом поле заземлителя описывается сложной зависимостью, определяемой размерами, формой заземлителя и электрическими свойствами грунта.

Для выявления закона распределения потенциалов грун­та в поле растекания тока сделаем следующее допущение: ток I _З стекает в землю через одиночный полусферический заземлитель радиуса r ₀ погруженный в однородный изо­тропный грунт с удельным электрическим сопротивлением r (рис. 1).

Линии растекающегося тока направлены по радиусам от заземлителя, как от центра, а сечения земли как проводника представляют собой полусферы с радиусами r < r ₁< r ₂<...< r _n.

Рис. 1 Растекание тока в грунте с полусферического

заземлителя

Поверхности этих сечений соответственно равны:

.

Ток распределяется по этим поверхностям равномерно, так как грунт однородный и изотропный. Плотность тока d на поверхности грунта в точке А, находящейся на расстоя­нии x от центра заземлителя, определяется как отношение тока замыкания на землю I _З к площади поверхности полусферы радиусом х:

(1)

Для определения потенциала точки А, лежащей на поверхности радиусом X. выделим элементарный слой толщиной dx (см. рис. 1). Падение напряжения в этом слое:

dU=Edx, (2)

где Е = dr – напряженность электрического поля.

Потенциал точки А или напряжение этой точки относительно земли равен суммарному падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом:

(3)

Подставив в выражение (3) соответствующие значения из выражений (1) и (2), а также значение Е. получим

(4)

Проинтегрировав выражение (4) по х, получаем выражение для потенциала точки А, или напряжения этой точки относительно земли, в следующем виде:

(5)

Так как , то (5) принимает вид:

Из полученного выражения видно, что по мере удаления от заземлителя потенциал точек снижается, и имеет место гиперболическая зависимость потенциала точки от расстояния (рис. 2).

Рис. 2 Кривые распределения потенциалов полусферического заземлителя

Потенциал заземлителя радиусом r ₀или напряжение заземлителя относительно земли:

(6)

Заземлитель обладает наибольшим потенциалом. Точки, лежащие на поверхности грунта, имеют тем меньший потенциал, чем дальше они находятся от заземлителя. В пределе потенциал удаленных точек грунта стремится к нулю. Причи­на подобного распределения потенциалов кроется в своеобразной форме проводника (земли), сечение которого возрастает пропорционально второй степени радиуса полусферы (рис. 3).

Ток, стекая с заземлителя, растекается по земле, которая оказывает сопротивление протеканию тока. Сопротивление растеканию тока заземлителя определяется, как суммарное сопротивление грунта от заземлителя до точки с нулевым потенциалом. Для полусферического заземлителя, находящегося в однородном изотропном грунте, сопротивление растеканию R _РАС имеет вид:

(7)

Наибольшее сопротивление растеканию тока оказывают слои земли (грунта) лежащие вблизи заземлителя, так как ток протекает здесь по малому сечению. В этих точках имеют место наибольшие падения напряжения.

Рис. 3 Упрошенная модель проводника земли

По мере удаления от заземлителя сечение проводника (земли) увеличивается и сопротивление растеканию тока уменьшается, а следовательно, уменьшается и падение напряжения. На расстоянии 10¸ 20 м от заземлителя сечение проводника (земли) становится настолько большим, что земля практически не оказывает сопротивления проходящему току. Таким образом, потенциал точек грунта, находящихся на расстоянии 10¸ 20 м от одиночного полусферического заземлителя, практически равен нулю.

Шаговое напряжение определяется, как разность потенциалов между точками, например А и Б (см. рис. 4).

. (8)

Так как точка А удалена от заземлителя на расстояние r, то ее потенциал, исходя из (5) при полусферическом заземлителе получим в виде:

Точка Б находится от заземлителя на расстоянии r+a, т. е. точка Б отстоит от точки А на величину шага человека a. Потенциал точки Б:

Наибольшее значение шаговое напряжение имеет вблизи заземлителя. По мере удаления от заземлителя шаговое на­пряжение уменьшается. Если ноги человека находятся на одинаковом расстоянии от заземлителя, т. е. на линии равного потенциала (на эквипотенциали), то шаговое напряжение равно нулю. Пусть расстояние от заземлителя до эквипотенциали, на которой находится человек, равно r, тогда шаговое напряжение равно нулю.

Рис. 4 Возникновение шагового

напряжения

Значение шагового напряжения зависит от размера шага. Уменьшение его приводит к снижению шагового напряжения. Шаговое напряжение зависит от напряжения заземлителя:

(10)

где – коэффициент напряжения шага, учитывающий форму потенциальной кривой.

Коэффициент напряжения шага b_Ш зависит от формы и конфигурации заземлителя и положения относительно зазем­лителя точки, в которой он определяется. Чем ближе к заземлителю, тем больше b_Ш и, следовательно, больше шаговое напряжение. Человек, находящийся вне поля растекания то­ка (на расстоянии 10–20 м от заземлителя), не попадает под действие шагового напряжения, так как b_Ш = 0. Как вид­но из выражения для определения коэффициента шага, его значение меньше единицы. Таким образом, шаговое напряжение составляет часть напряжения на заземлителе. Полученное выражение для определения b_Ш справедливо только для полусферического заземлителя.

Для другой формы заземлителей, а также для заземлителей, состоящих из нескольких электрически соединенных между собой электродов, распределение потенциалов определя­ется сложными зависимостями. Следовательно, и коэффици­ент напряжения шага в различных случаях определяется очень сложными выражениями. Для одиночного протяженного заземлителя длиной l > 20 м b_Ш=0, 14, а для заземлителя, состоящего из ряда стержней, соединенных полосой, b_Ш= 0, 10.

Нахождение человека в поле растекания тока может при­вести к поражению, если шаговое напряжение U _Шпревышает допустимое по условиям электробезопасности значение U _ДОП. Зона вокруг заземлителя, в которой U _Ш> U _ДОП, называется опасной зоной. Радиус опасной зоны зависит от напряжения на заземлителе и удельного сопротивления грунта.

Рис. 5 Кривые распределения потенциалов

группового заземлителя

Пусть заземлитель состоит из двух полусферических элек­тродов. Картина распределения потенциалов для такого заземлителя представлена на рис. 5. Поля растекания заземлителей накладываются друг на друга, и любая точка поверхности грунта между электродами имеет значительный потенциал. Вследствие этого шаговое напряжение снижается.

Для снижения шаговых напряжений заземлители располагают по контуру на небольшом расстоянии друг от друга, что приводит к выравниванию потенциалов за счет наложения полей растекания. Иногда при выполнении контурного заземления внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, которые дополнительно выравнивают потенциалы внутри контура (рис. 6).

Рис. 6 Заземлитель с выравниванием потенциалов:

вид в плане (вверху); форма потенциальной кривой (внизу)

Контурное заземление обеспечивает безопасность работ в зоне заземления, так как шаговое на­пряжение U _Ш < U _ДОП, т. е. опасная зона отсутствует. Чтобы уменьшить шаговые напряжения за пределами контура, в грунте укладывают специальные металлические шины, соеди­ненные с заземлителем (см. рис. 7). При этом спад потенци­алов происходит по пологой кривой, и шаговые напряжения снижаются.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ (УПРОЩЕННЫЙ ВАРИАНТ)